KR100942364B1 - 미세 입자분리 장치 - Google Patents

Abstract

유체 조절이 필요없고 미세 입자의 전기장 노출 시간이 감소된 기둥 형태의 전극을 이용한 미세 입자 정렬 및 분리 장치가 개시되어 있다. 미세 입자분리 장치는 미세 입자가 유입되는 유입구, 유입구에 연결되고, 미세 입자의 진행방향으로 폭이 점차적으로 감소하는 정렬 유로, 정렬 유로에서 분지되되, 정렬 유로의 양측에 각각 인접하는 한 쌍의 제1 분리 유로들과 제1 분리 유로들 사이에 위치하는 한 쌍의 제2 분리 유로들, 정렬 유로와 상기 제1 분리 유로들 사이의 코너 측벽들 내에 각각 위치하는 제1 전극들 및 제2 분리 유로들 사이의 측벽 내에 위치하는 제2 전극을 포함한다. 따라서, 국소 영역에 전극이 위치되어 있으므로 세포 분리를 위해 요구되는 전기장 노출 시간을 최소화시킬 수 있으며, 전극 간에 발생되는 유전영동에 의해 입자 자체의 전기적 특성 차이에 따른 분리가 가능하여 비슷한 크기의 세포 분리에도 유용한 효과가 있다.

기둥형 전극, 미세 입자정렬, 미세 입자분리, 유전영동

Description

미세 입자분리 장치{Apparatus for Particle Separation}

본 발명은 미세 입자분리 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 기둥 형태의 전극을 이용하여 미세입자를 정렬하고 분리하는 미세 입자분리 장치에 관한 것이다.

병원균의 검출, 신약 개발, 약물 검사 및 세포대체 치료법등의 현대의학에서 대상세포를 선별하는 작업은 필수적이다. 대상세포의 분리는 통상적으로 형광물질을 이용하는 FACS(fluorescence-activated cell sorter) 방법이 주를 이루었다. 그러나, FACS 방법은 대상세포를 선별하기 위해 대상 세포만을 표식(labeling)하는 전처리 작업이 필수적이다.

한편, LOC기반의 유전영동을 이용한 세포분리기는 FACS에 비해 처리 속도가 빠른 장점이 있지만 아직까지는 처리속도에 한계가 있고, 크기별 분리가 이루어지지만 비슷한 크기 및 밀도에 따른 미세입자의 분리에는 적합하지 않은 단점이 있다. 뿐만아니라 정렬 및 분리시 세포가 장시간 전기장에 노출되기 때문에 분리 후의 세포는 세포치료용 사용되기에 적합하지 않은 문제점이 있다.

또한, MEMS 기술을 기반으로 하고, LOC 상의 유전영동을 이용한 세포 및 미 세입자의 분리 장치는 다중 전극이나 다중 입력(inlet)을 이용하여 세포를 정렬시키기 때문에 유체의 조절이 어렵고, 박막 구조의 전극을 이용하였을 경우에는 내구성이 떨어지며, 파손이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.

도 1은 종래의 미세유로와 유전영동을 이용한 세포분리장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 1을 참조하면, 대상세포와 대상세포를 정렬시키기 위해 제1 펌프(12) 및 제2 펌프(14)를 이용하여 유체를 입력한다. 입력된 유체는 24개의 전극(16) 배열의 가운데 부분으로 흘러가게 된다. 흘러가는 동안 각각의 대상세포는 전극(16) 배열을 통과하면서 전기적 특성인 전도도와 유전율에 의해서 대상세포들이 위/아래쪽으로 이동하여 특정 출구로 밀려 들어가 분리를 하게 된다.

하지만 이러한 디바이스의 경우, 미세유로 자체에서 유체의 조절이 어렵기 때문에 펌프를 두 개로 분리하여 사용해야 한다. 또한, 대상세포들은 약 3mm 정도 되는 길이와 50㎛정도의 폭을 가지는 24개의 전극(16) 배열을 지나가면서 장시간 전기장에 노출하게 된다. 따라서, 장시간 전기장에 노출된 세포는 세포치료용으로 사용하기에 부적합하다는 문제점을 가지게 된다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유체 조절이 필요없고 전기장 노출 시간이 감소된 미세 입자분리 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미세 입자가 유입되는 유입구, 상기 유입구에 연결되고, 미세 입자의 진행방향으로 폭이 점차적으로 감소하는 정렬 유로, 상기 정렬 유로에서 분지되되, 상기 정렬 유로의 양측에 각각 인접하는 한 쌍의 제1 분리 유로들과 상기 제1 분리 유로들 사이에 위치하는 한 쌍의 제2 분리 유로들, 상기 정렬 유로와 상기 제1 분리 유로들 사이의 코너 측벽들 내에 각각 위치하는 제1 전극들 및 상기 제2 분리 유로들 사이의 측벽 내에 위치하는 제2 전극을 포함하는 세포 분리 장치를 제공한다.

여기서, 상기 제1 전극들은 상기 정렬 유로의 양측으로 연장되어 상기 정렬 유로의 폭을 점차로 감소시킬 수 있다.

여기서, 상기 제1 전극들은 삼각기둥 형상일 수 있다.

여기서, 상기 제2 전극은 반원기둥 형상일 수 있다.

여기서, 상기 제1 분리 유로들은 상기 정렬 유로에 수직일 수 있다.

정렬 유로의 폭이 점차 감소되므로 미세 입자들을 용이하게 정렬시킬 수 있어, 상기 미세 입자들을 운반하는 유체에 대한 별도의 조절이 필요없다. 따라서, 단일 입력으로 유체를 주입할 수 있으며, 별도의 유체 조절 장치가 필요없다.

또한, 국소 영역에 전극이 위치되어 있으므로 미세 입자 분리를 위해 요구되는 전기장 노출 시간을 최소화시킬 수 있으며, 전극 간에 발생되는 유전영동에 의해 전도도(conductivity) 또는 유전율(permittivity)과 같은 입자 자체의 전기적 특성 차이에 따른 분리가 가능하여 비슷한 크기의 미세 입자 분리에도 유용한 효과 가 있다.

또한, 전극들을 박막형이 아닌 기둥형으로 형성하여, 미세 입자들이 박막형 전극 위로 이동하지 않고, 기둥형의 전극 측면을 따라 정렬하면서 흘러가기 때문에 미세 입자의 뭉침없이 짧은 시간에 전기장 범위에 진입할 수 있다. 뿐만 아니라 박막형 전극에 비해 기둥형 전극이 내구성이 좋으며, 유전영동 힘이 더 크게 발생될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자분리 장치의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 미세 입자분리 장치는 상판(upper)(110)과 하판(substrate)(120)으로 구비되며, 하판(120)은 평상(plate shape)을 하고 있고, 상판(110)은 십자가 형상의 홈을 만들어 정렬유로(142), 한 쌍의 제1 분리유로들(144a, 144b) 및 한 쌍의 제2 분리유로들(146a, 146b)을 포함하는 유로를 형성한다.

상기 미세 입자분리 장치의 일측은 마이크로 실린지 펌프(micro-syringe pump)에 의해 유체와 함께 서로 다른 종류의 미세 입자들이 유입되는 유입구(130)를 구비하며, 상기 유입구(130)는 미세입자의 진행방향으로 폭이 점차적으로 감소하여 형성된 정렬 유로(142)와 연결된다.

제1 분리 유로들(144a, 144b)은 상기 정렬 유로(142)에서 분지되며, 정렬 유 로(142)의 양측에 각각 인접하여 형성된다. 바람직하게는 제1 분리 유로들(144a, 144b)은 상기 정렬유로(142)에 수직으로 형성될 수 있다. 제2 분리 유로들(146a, 146b)은 상기 제1 분리 유로들(144a, 144b) 사이에 위치하며, 상기 유입구(130)의 반대편에 위치한다.

상기 제1 분리 유로들(144a, 144b) 각각의 말단에는 분리된 미세 입자들이 보관되는 제1 배출구들(145a, 145b)이 위치한다. 상기 제2 분리 유로들(146a, 146b)은 다시 합류한 후, 제2 배출구(147)에 연결된다. 상기 제1 분리 유로들(144a, 144b)을 따라 이동하여 분리된 미세 입자들은 제1 배출구들(145a, 145b)에 보관되고, 상기 제2 분리 유로들(146a, 146b)를 따라 이동하여 분리된 미세 입자들은 제2 배출구(147)에 보관된다.

여기서, 상기 배출구들(145a, 145b, 147)에 분리되는 미세 입자는 유방암 세포(MCF7), 정상세포(MCF10A), 췌장암 세포(PANK), 전이 유방암 세포(MDA231), 줄기세포(P19), DNA 등을 포함하는 세포, 박테리아 또는 바이러스일 수 있으며, 적혈구 또는 백혈구를 포함하는 혈액일 수 있다.

한편, 상기 유로의 소정 위치에는 전극들(150)이 구비된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 상세하게 나타낸 평면도이다.

도 3을 참조하면, 전극들(150)은 한 쌍의 제1 전극들(152a, 152b) 및 제2 전극(154)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극들(152a, 152b)은 상기 정렬 유로(142)와 상기 제1 분리 유로들(144a, 144b) 사이의 코너 측벽들 내에 각각 위치하며, 상기 제2 전극(154)은 상기 제2 분리 유로들(146a, 146b) 사이의 측벽 내에 위치한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극들의 사시도이다.

도 4를 참조하면, 각각의 전극들(152a, 152b, 154)은 기둥 형상을 나타내며, 제1 전극들(152a, 152b)은 정렬 유로(142)의 양측에 삼각기둥 형상으로 위치하여, 정렬 유로(142)의 폭을 점차 감소시키므로, 제1 전극들(152a, 152b)을 따라 미세 입자들이 정렬될 수 있다.

이와 같이 미세 입자를 정렬시키면, 유체 조절이 필요없기 때문에 다수의 펌프가 필요 없고, 단일 입력을 통해 미세 입자 및 유체를 함께 주입할 수 있다.

또한, 상기 전극(152a, 152b, 154)들을 박막형이 아닌 기둥형으로 형성하면, 미세 입자들이 박막형 전극 위로 이동하지 않고, 기둥형의 전극 측면을 따라 정렬하면서 흘러가기 때문에 미세 입자의 뭉침없이 짧은 시간에 전기장 범위에 진입할 수 있다. 뿐만 아니라 박막형 전극에 비해 기둥형 전극이 내구성이 좋으며, 유전영동 힘이 더 크게 발생될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 입자분리 장치를 나타낸 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세 입자분리장치는 후술하는 것을 제외하고는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예와 유사할 수 있다.

도 5를 참조하면, 정렬 유로(142)는 미세 입자의 진행방향으로 폭이 점차적으로 감소하며, 제1 전극들(152a, 152b)이 상기 정렬 유로(142)와 제1 분리 유로들(144a, 144b) 사이의 코너 측벽들 내에 한정되어 위치한다.

또한, 제2 분리 유로들(146a, 146b)은 합류되지 않을 수 있다.

도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자의 이동을 나타내 는 모식도이다. 본 모식도는 CFD-ACE+를 이용하여 수치적 해석한 결과를 나타낸다.

도 6a를 참조하면, 배양액과 함께 유입된 각각의 제1 미세 입자(162) 및 제2 미세 입자(164)의 서로 다른 미세 입자(160)가 제공된다.

도 6b를 참조하면, 제1 전극들(152a, 152b)의 삼각기둥 형상에 의해 폭이 좁아지는 정렬 유로(142)의 중앙으로 서로 다른 미세 입자(160)들이 정렬된다.

도 6c를 참조하면, 중앙으로 정렬된 소수의 제1 미세 입자(162)들은 반원기둥 형상의 제2 전극(154)에 도달하며, 그 뒤를 따라 나머지 제2 미세 입자(164)들이 정렬 유로(142)의 중앙으로 흘러들어온다.

도 6d를 참조하면, 제1 전극들(152a, 152b)에 동일한 양의 전압을 인가하고, 제2 전극(154)에 음의 전압을 인가한 후, 소정의 주파수에 따라 상기 전압들을 바꿔서 인가하는 방법으로 전극들(150)에 교류 전압을 걸어준다. 이 경우에, 미세 입자(160)들은 양극이나 음극으로 대전된 물질에만 작용하는 전기영동이 일어나지 않고, 중성이나 분극화될 수 있는 물질의 전도도(conductivity) 및 유전율(permittivity) 등의 자체 특성 차이에 의해 분리가 일어나는 유전영동이 발생될 수 있다. 예컨대, 유전영동의 힘을 받지 않는 제1 미세 입자(162)들은 유체의 이동 방향 그대로 이동하여 유입구(130)의 타측 말단쪽의 제2 배출구(147)에 보관된다.

도 6e를 참조하면, 반원기둥 형상의 제2 전극(154)에 제2 미세 입자(164)가 도달된다.

도 6f를 참조하면, 유전영동의 힘을 받는 제2 미세 입자(164)들은 제1 전극들(152a, 152b)과 제2 전극(154a, 154b)에 의해 발생된 전기장에서 상대적으로 전 기장 세기가 약한 쪽인 제1 분리 유로들(도 2의 144a, 144b) 중 어느 하나로 이동하여 최종적으로 제1 배출구들(도 2의 145a, 145b) 중 어느 하나에 보관된다.

상술한 방법과 같이 정렬 유로(142)의 중앙으로 이동하여 전기장 영역에 진입하는 미세 입자(160)들은 계속해서 전기적 특성에 의한 분리가 일어난다.

이상, 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분양의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 미세유로와 유전영동을 이용한 미세 입자분리장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자분리 장치의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극을 상세하게 나타낸 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극들의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 입자분리 장치를 나타낸 평면도이다.

도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 입자의 이동을 나타내는 모식도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 상판 120: 하판

130: 유입구 142: 정렬 유로

144a, 144b: 제1 분리 유로 145a, 145b: 제1 배출구

146a, 146b: 제2 분리 유로 147: 제2 배출구

150: 전극 152a, 152b: 제1 전극

154: 제2 전극 160: 미세 입자

162: 제1 미세 입자 164: 제2 미세 입자

Claims (5)

1. 미세 입자가 유입되는 유입구;

   상기 유입구에 연결되고, 미세 입자의 진행방향으로 폭이 점차적으로 감소하는 정렬 유로;

   상기 정렬 유로에서 분지되되, 상기 정렬 유로의 양측에 각각 연결된 한 쌍의 제1 분리 유로들과 상기 제1 분리 유로들 사이에 위치하는 한 쌍의 제2 분리 유로들;

   상기 정렬 유로와 상기 제1 분리 유로들 중 어느 하나가 만나는 코너의 측벽 및 상기 정렬 유로와 상기 제1 분리 유로들 중 나머지 하나가 만나는 코너의 측벽에 각각 위치하는 제1 전극들; 및

   상기 제2 분리 유로들이 만나는 코너의 측벽에 위치하는 제2 전극을 포함하는 미세 입자분리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 전극들은 상기 정렬 유로의 양측 측벽들로 각각 연장되되, 상기 정렬 유로의 폭을 점차로 감소시키는 미세 입자분리 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 전극들은 삼각기둥 형상인 미세 입자분리 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 전극은 반원기둥 형상인 미세 입자분리 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 분리 유로들은 상기 정렬 유로에 수직인 미세 입자분리 장치.

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